（设计艺术学专业论文）基于拓扑的家居产品人机界面的分析研究.pdf

摘要 摘要 人机界面是人与机器之间传递和交换信息的媒介。近年来，随着宜人性的 家居环境逐渐成为社会的主流，和谐家居与家居环境的个性化需求的呼声愈来 愈高以及家居产品定制观念的兴起，家居产品人机界面的信息交流是否顺畅成 为了人们日益关注的焦点。一方面，目前的研究主要集中在狭义人机界面上， 无法有效地对家居产品的人机界面设计进行指导。另一方面，家居产品种类繁 多，人的操作方式也是多种多样，迫切需要一种理论或者方法来指导家居产品 人机界面的设计。本文中拓扑4 元交空间关系模型理论的适时引入无疑解决了 这一问题。 本文在研究中引入了拓扑4 元交空间关系模型，对家居产品和空间分类重 组后的每一类别中人机界面的共性进行了分析研究，得到了一个系统的家居产 品人机界面设计的理论体系。在建立家居产品人机界面体系的过程中，研究的 内容主要有以下几点：界定了人机界面范畴和内容，对拓扑关系理论进行了概 述和推广；对家居产品进行了概述和分类，同时对室内空间进行了创新性的定 义；将拓扑关系模型引入到已界定的家居产品和空间中，得出八种拓扑关系下 的人机界面及其家居产品和空间的取值范围，并进行了人机模型的构建；对八 种拓扑关系的家居产品人机界面从界定人机界面的范围到所涉及的人机界面内 容都进行了细致的分析，并提出了人机界面的设计原则；最后在家居产品与空 间的拓扑关系影响下，对家居产品人机界面的发展趋势进行了预测和描述。 本文的研究意义在于：构建家居产品人机界面设计系统的理论体系，明确 清晰地为设计服务；缩短设计人员进行人机界面设计时搜集重要内容的时间； 首次采用拓扑的方法对家居产品人机界面进行研究，引导更多的人针对拓扑关 系下人机界面从事更深入的研究；有利于把握家居产品人机界面设计的发展趋 势。 关键词家居产品；空间；拓扑关系；人机界面 a b s t r a c t a b s t r a c t m a n m a c h i n ei n t e r f a c ei sam e d i a , b yw h i c hm a na n dm a c h i n ec a n 仃a n s f e ra n d e x c h a n g ei n f o r m a t i o n i nr e c e n ty e a r s ，a sh u m a n i t yh o m ee n v i r o n m e n ti sg r a d u a l l y m a i n s t r e a mo ft h es o c i e t y , t h ev o i c ef o rh a r m o n yh o m ee n v i r o n m e n ta n di t s p e r s o n a l i z e dd e m a n di sh i g h e ra n dh i g h e ra n dc u s t o mc o n c e p t i o no fh o u s e h o l d p r o d u c t si sp r o s p e r i t y , w h e t h e ri n f o r m a t i o n sc o m m u n i c a t i o no ft h em a n m a c h i n e i n t e r f a c eo fh o u s e h o l dp r o d u c t si ss m o o t ho rn o th a si n c r e a s i n g l yb e c o m et h ef o c u s c o n c e r n e d b u tt h ep r e s e n ts t u d ym a i n l yf o c u s e so nt h en a r r o wm a n m a c h i n e i n t e r f a c e ，u n a b l et oe f f e c t i v e l yg u i d et h ed e s i g no fm a l l m a c h i n ei n t e r f a c eo f h o u s e h o l dp r o d u c t s a n da tt h es a m et i m et h e r ea r ev a r i e t i e so fh o u s e h o l dp r o d u c t s a n dm a n u a lo p e r a t i o n s ，s ow eu r g e n t l yn e e dat h e o r yo rm e t h o dt og u i d et h ed e s i g n o fm a n - m a c h i n ei n t e r f a c eo fh o u s e h o l dp r o d u c t s t l l i sp a p e rs o l v e st h ep r o b l e mb y r e a s o n a b l yu s i n gt h et h e o r yw h i c hi sf o u ry u a ns p a c et o p o l o g i c a lr e l a t i o n sm o d e l 嘶sp a p e rp r e s e n t sf o u ry u a ns p a c et o p o l o g i c a lr e l a t i o n sm o d e l ，b yw h i c h h o u s e h o l dp r o d u c t sa n ds p a c ea r ec l a s s i f i e da n dt h ec o m m o nc h a r a c t e r i s t i e so f m a l l m a c h i n ei n t e r f a c ea r ea n a l y z e da n ds t u d i e di ne a c hc a t e g o r y , s oat h e o r ys y s t e m a b o u td e s i g no fh u m a n m a c h i n ei n t e r f a c eo fh o u s e h o l dp r o d u c t si sa t t a i n e df i n a l l y i nt h ep r o c e s so fe s t a b l i s h i n gm a i l m a c h i n ei n t e r f a c eo fh o u s e h o l dp r o d u c t ss y s t e m s ， c o n t e n t so ft h i sp a p e ri n c l u d e ：t h es c o p ea n dc o n t e n to fh u m a n m a c h i n ei n t e r f a c ea r e d e f i n e da n dt h et h e o r yo ft o p o l o g i c a lr e l a t i o n si ss u m m a r i z e da n dp r o m o t e d ；t h e h o u s e h o l dp r o d u c t sa r es u m m a r i z e da n dc l a s s i f i e d ，a n dt h ei n d o o rs p a c ei sd e f i n e d i n n o v a t i v e l y ：t h em o d e lo ft o p o l o g i c a lr e l a t i o n si si n t r o d u c e di n t ot h ed e f i n e d h o u s e h o l dp r o d u c t sa n ds p a c ea n dt h e nt h em a n - m a c h i n em o d e li sc o n s t r u c t e d ， w h i c hg e t sm a n m a c h i n ei n t e r f a c eu n d e re i g h tt o p o l o g i c a lr e l a t i o n sa n dt h er a n g eo f t h e i rs p a c ea n dh o u s e h o l dp r o d u c t ；t h i sp a p e rh a sad e t a i l e da n a l y s i so n m a n - m a c h i n ei n t e r f a c eo fh o u s e h o l dp r o d u c t su n d e re i g h tt o p o l o g i c a lr e l a t i o n sf r o m d e f i n i n gr a n g eo fm a n m a c h i n ei n t e r f a c et oi t sc o n t e n t s a n dp r e s e n t st h ep r i n c i p l e o ft h ed e s i g no fm a n m a c h i n ei n t e r f a c e ； e v e n t u a l l yd e v e l o p m e n ta n dt r e n da b o u t m a n - m a c h i n ei n t e r f a c eo fh o u s e h o l dp r o d u c t si sp r e d i c t e da n dd e s c r i b e da l o n gw i t h t h ei n f l u e n c eo f t o p o l o g i c a lr e l a t i o n sb e t w e e nh o u s e h o l dp r o d u c t sa n ds p a c e t h e s i g n i f i c a n c e o ft h i s p a p e r i s ：t oc o n s t r u c tt h e o r e t i c a l s y s t e m o f h u m a n m a c h i n ei n t e r f a c ed e s i g ns y s t e ma b o u th o u s e h o l dp r o d u c t s ，w h i c hc a nb e p r e c i s ea n dc l e a rt os e r v ef o rd e s i g n ，a n dc a na l s os h o r t e nt h et i m eo fc o l l e c t i n g i m p o r t a n tc o n t e n tw h e nt h ed e s i g ns t a f fd o e sa o bs u c ha st h em a n - m a c h i n e i n t e r f a c ed e s i g n ；t og u i d er e s e a r c hd i r e c t i o no fh m io fh o u s e h o l dp r o d u c t sn o o n e i n v o l v e d a n dt og u i d em o r ep e o p l et od om o r ei n d e p t hr e s e a r c ho nt h ec o n t e n to f m a n - m a c h i n ei n t e r f a c eu n d e rt o p o l o g i c a lr e l a t i o n s a st h ec o n t e n t so fh m iu n d e rt h i s t o p o l o g i c a lr e l a t i o n s a r en o tv e r yi n d e p t hs t u d y ；a n dt of a v o rg r a s p i n gt h e d e v e l o p m e n tt r e n d so fm a n m a c h i n ei n t e r f a c ed e s i g na b o u th o u s e h o l dp r o d u c t s k e y w o r d s ：h o u s e h o l dp r o d u c t s ； s p a c e ；t o p o l o g i c a lr e l a t i o n s ； m a n - m a c h i n e i n t e r f a c e i i i 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下， 独立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论 文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本 文的研究作出重要贡献的个人和集体，均己在文中以明确方式标明。 本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名： 弦鼙 日 期：旦q 量：三，! 三 关于学位论文使用授权的声明 本人同意学校保留或向国家有关部门或机构送交论文的印刷件 和电子版，允许论文被查阅和借阅；本人授权山东大学可以将本学 位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、 缩印或其他复制手段保存论文和汇编本学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：弦垒呈 导师 第1 章绪论 1 1 研究背景 第1 章绪论 人机之间的信息交流和控制都发生在人机界面上。家居产品人机界面的 信息交流顺畅与否是衡量家居产品是否符合家居环境的主要标准，同时家居产 品种类繁多，操作方式多种多样，相关的人机界面也是各种各样。设计人员在 设计家居产品的人机界面时，没有系统的理论去引导，最终结果是单一家居产 品设计完美，而置身家居环境中则总是存在这样或者那样的瑕疵。就目前情况 来看，迫切需要一种理论体系来系统地指导家居产品人机界面设计，这一需求 的出现是有一定原因的。对于这其中的原因从以下几个方面去阐述： 1 1 1 社会背景 1 1 1 1 宜人性的家居环境是主流 从社会发展角度去看，宜人性的家居环境是主流。 由于人们生活水平提高、青年人结婚进入高峰期、第三产业和房地产业飞 速发展、居民住宅进入改善期等因素的影响，家居产品的需求额每年都在稳速 递增。同时年龄层、文化层、情趣层、职业层等层次差别越来越明显，加上房 产的进一步开发及房型的丰富多彩等都对家居产品开发提出了更高的要求。这 一增一高为家居产品的宜人性赋予了时代的使命。很多家具在展厅里格调优美， 操作简便，一旦到具体的家居环境中就黯然失色，要么款式不符合整体家居环 境风格，要么受空间因素影响使得人机交流效率低下。这样就会产生人机间对 话的隔阂，在当前的形势下，做到产品与居家环境的协调日益成为大众追逐的 目标。 早在上世纪6 0 年代末，b & o 公司制定的七项设计基本原则，其中一条就 提到了家庭性：技术是为了造福人类，而不是相反瞳1 。产品应尽可能与居家环 境协调，使人感到亲近。 综上所述，宜人性的家居环境设计将是社会发展的潮流。 f j f 东大学硕十学位论文 1 1 1 2 家居环境的个性化需求呼声高 从消费者的角度去看，人们对家居环境的要求越来越高，个性化需求的呼 声也越来越高。 近几年，随着房地产市场的蓬勃发展，各种户型、装修风格的居室也开始 多样化，但是大多数家具在设计时相对大众化，很难满足个性要求。另外，消 费群体知识结构与生活态度也在发生变化。据悉，经常光顾家具市场的人群中 有7 8 的学历均在大专学历以上。这一群体己不仅仅满足家具的功能需求，而 且在寻找一种新的生活方式咖。由于市场产品互相模仿情况严重，特色产品少， 这种现状无法满足主要消费者追寻生活方式的要求。 对于消费者这种需求，作为设计师不能坐视不理，只有设计师才能从源头 上去做文章，才能解决这一需求问题。 1 1 1 3 和谐家居需要理论支持 从设计师的角度来看，和谐家居需要理论支持。 目前的家居产品设计主要采取两种模式：一是原创，进行自我研发、设计； 二是模仿，一切都是在跟随n 3 。在这种背景下，很多企业往往只是根据简单的 市场调查，跟随当今潮流进行研发生产。设计出来的产品局限性很大，很难做 到与家居环境相协调。这种模式生产出来的家具不是尺寸不符合要求，就是款 式不能满足个人偏好。 比如家电的设计，在设计时一般都是独立进行的。设计师根据美学、人机 工程学来使家电更加符合人的要求，符合人的审美观念。也许这几点都达到了， 但是家电毕竟要融于家庭中，无论是家电还是家具都只是家居装潢中的一部分。 家电设计的再好，消费者拿回家不知道放在哪，或者是为了放置个家电费了 很大工夫去改造家居环境的话，那么此设计便称不上是一件好的设计。试问有 多少洗衣机的设计考虑家庭放置的位置以及与环境的协调性，看看消费者的心 声：“我家的卫生间较小，放不下洗衣机了，所以想放在阳台上，但是整个阳台 基本上都是透明的，从外面可以看到里面的洗衣机 。“房子面积小，卫生间里放 不下洗衣机，想把洗衣机放到生活阳台上，物业公司死活不让。 设计师在进行家居产品设计时，很多时候凭借自己的主观意识去把握家居 2 第l 罩绪论 设计与环境的度，大多是个人主观思想的艺术化，因而这里面会有一个预期的 设计与接受者无法感受的问题，尤其体现在设计家居产品的时候，进行设计创 新开发没错，可是要采取正确的方法去进行设计。本论文试图从其源头进行指 导，从一开始去做设计就提出与空间相关的人机界面要求，这样设计出的产品 就不会割裂开来。 1 1 1 4 产品定制观念的兴起 上个世纪五十年代，随着二战的结束，经济迅速腾飞使高级定制业成为奢 华物品的专属。几十万的晚礼服，上百万的顶级珠宝首饰，这些只被划归在上 流阶层的定制服务，曾经一度使富贵豪门生活充满神秘感与奢侈性。而时尚化， 个性化，昂贵的专业制作更是把服务推至顶峰。风靡数年后，“定制”这一服务 概念却没有因为贴上“高级”标签而变成贵族圈内孤芳自赏的少众消费睛1 。 随着大工业化生产模式和流水线产品对市场的充斥，越来越多的普通消费 者也开始青睐具有“定制印】，概念的产品，尤其是与人们生活密切相关的家居 产品。在这种形势之下，设计师如何去在定制的前提下去设计室内的家居产品， 又如何才能保证风格趋于一致，人机界面的信息交流顺畅且与外界无隔阂呢? 这同样需要家居产品人机界面的相关理论来解决这一需求。 1 1 2 理论背景 有关家居产品人机界面口3 的系统化研究，目前还没有入涉足。在笔者经过 大量的文献检索之后发现，目前家居产品人机界面的研究点仅集中于单个产品 的人机界面上，对于人与机之间的关系研究的极为透彻，但是很少涉及到家居 产品今后可能存在的空间。作为家居产品来说，其本身并不是独立存在的而是 在家居环境中，与人与空间相互影响相互制约的一个系统。这一点上与人机工 程学的本质是一致的。 人机工程学( e r g o n o m i c s ) 是研究人、机器及其工作环境之间相互作用的 学科。人机工程学是以人的生理、心理特征为依据，以提高人的工作、生活质 量为目的，运用系统工程和信息加工心理学的观点和方法，研究生产领域内人 与机械、人与环境以及机械与环境之间的相互作用，为设计操作简便省力、准 3 山东大学硕十学位论文 确安全、高效舒适的人一机一环境系统提供理论依据和方法的科学。因而在国 内也有人将它称为“人体工程学”、“工效学 、“人机环境工程学 等。人机工 程学研究的主要内容就是“人一机一环境”系统，简称人机系统3 。 1 1 2 1 入机界面研究的侧重点 ( 1 ) 人机界面的起源与发展 人机界面是计算机科学和认知心理学两大学科相结合的产物，同时也吸收 了语言学、人机工程学和社会学等学科的研究成果。经过4 0 余年的发展，已经 成为一门以研究用户及其与计算机的关系为特征的主流学科之一。近年来，人 机界面的设计理论已经更广泛地发展和应用到人一机一环境系统工程等领域， 使工程技术设计与使用者的身心行为特点相适应，从而使人能够高效、舒适地 工作与生活p 1 。 1 ) 人机界面的起源 从人类设计学史中我们可以看出，面向人的设计思想很早就萌发了。中国 古代的器皿( 如小口尖底彩陶瓶) 很好地在功能、造型、装饰三方面达到了完 美的统一；1 9 世纪2 0 3 0 年代，德国包豪斯( b a u h a u s ) 学校在设计理论上提出 了“设计的目的是人而不是产品”n 们等观点；随后的斯堪的纳维亚设计的功 能主义思想也渗透了温馨、人文的情调等。随着机械化、自动化和电子化的高 度发展，人的因素在生产中的影响越来越大，人机协调问题也显得越来越重要。 人机界面学中面向人的知识和方法主要来自于人机工程学( e r g o n o m i c s ) 、 心理学、哲学、生物学、医学等。建立于2 0 世纪的人机工程学是一门应用性很 强的学科，从它诞生时起即与工业界紧密地联系在一起；第二次世界大战期 问，人们认识到对制造出来的各种高效能的新式机器和机器系统( 生产、运输、 通信、武器和航空飞行器等) 进行操纵和控制时，整体系统的工作效率在很多 情况下是由入的活动来决定的。若设备的全部潜力没有发挥出来，大部分原因 是操纵人员不能掌握对这个电子设备的复杂操作。经验和教训提醒人们比以往 任何时候更加重视机器设计，使得对机器的操作能够适应大多数普通人的能力 范围。这种机器适应人的策略，引起了特定领域内的工程师和生物学界科学家 4 第1 章绪论 的广泛合作。 2 ) 人机界面的发展 人机界面学的发展，以人类社会的三次技术革命作为分水岭，即工业革命、 技术的出现以及信息革命。 工业革命前，人造物的设计以手工业为主，并与人们的生产劳动、生活方 式息息相关。1 8 世纪末在英国兴起了工业革命，机器生产逐渐取代了手工生产， 改变了人们的生产、设计方式。从此，为探索设计对人类的生产活动，对社会、 文化的关系，各种设计思潮和流派层出不穷，如工艺美术运动、新艺术运动、 德意志制造联盟、风格派、包豪斯、流线型等。 2 0 世纪4 0 年代末晶体管的发明，电子技术的出现，使得电子装置的小型 化成为可能机器化大生产逐步向小型化、电子化方向发展；同时也为第二次世 界大战后在自动化生产和信息处理中起关键作用的计算机的广泛使用开辟了道 路。二战后的重建也为设计提供了广阔的市场，开辟了新的领域。此时，出现 了各种设计风格，如斯堪的纳维亚设计、现代主义、高技术风格、理性主义、 后现代设计等。此时的设计，结合了越来越多的工程技术、社会学、心理学、 人机工程学等多学科知识。 随着计算机技术和网络技术的逐步发展，第三次浪潮信息化浪潮迎面 而来，信息化改变了人们的生活方式。此时的设计，逐步从物质化设计，转向 信息化、非物质化设计。软件开发设计层出不穷，虚拟设计、网络化设计、并 行工程逐步成为设计的主流。人与机器的交互走向多通道化、虚拟化，人与人 之间的交互也步入网络化、虚拟化n 。 ( 2 ) 是人机界面集中的研究点 经过大量的文献检索和调研，每年在国外出版的关于人机界面的书籍：就 美国而言，1 9 9 5 年出版2 6 种，1 9 9 6 年4 3 种，1 9 9 7 年5 1 种，1 9 9 8 年3 4 种， 1 9 9 9 年3 6 种，2 0 0 0 年2 9 种，而国内出版的人机界面的书籍却不过1 0 来种。 综观所有书籍可以得出这样的结论：大多数书籍都主要在总结当前现有的人机 界面类型和设计指南，并且主要集中在目前所说的狭义的人机界面的研究上。 对实际家居产品的人机界面设计的指导意义不大，若非是设计经验非常丰富的 5 山东大学硕士学位论文 设计者，即便是认真研究了这些书，也要费很大的力气才能找到想要的内容去 设计人机界面。 在广义的人机界面研究中，所得出的研究成果显然又不足以为家居产品与 空间的室内环境设计提供帮助。尽管如此，部分研究点却成了本文进行研究的 基石。比如，在人机系统中，人与机的交互关系的接口被定义为人机界面 ( i n t e r f a c e ) 。人机界面的形式与内容是对人机关系的表征，是人机工程学研究 的核心方面d 纠。从人机界面的角度看，人机工程学研究可以分为三个层次：物 理层、认知层、感性层。如图1 1 所示就是目前人机界面集中的研究领域。 毒象 iii 感性层次 l ，r 形态色彩 一 感觉l 八 人 意象 i 机 l 认知层次 ili 界 面 心理技能心理过程 八 ima 刀i l4 ，” 码豕 物理层次r iiilll l尺度力度姿势动作视野0 00 ： 操作 一 j 图卜1 人机界面研究领域 1 1 2 2 家居产品人机界面缺乏统一理论 家居产品包含的产品种类太多，而每个产品几乎都不可避免地与日常生活 中的人产生联系。这种联系主要通过人机之间全方位的交流而体现出来，家电 产品与人的交流存在着很多方面，不过深究其原因，可以归结为人与家电之间 的界面，人通过这个界面完成与家电产品以及其所处环境的交流。交流的状态 呈立体型延伸，不仅仅停留在尺寸配合的问题上，还要考虑整体风格的考虑。 界面的繁杂对于家居追求整体而言没有一个合适的体系去概括它，这对于家居 的整体性无疑是一种缺憾。 6 第1 苹绪论 1 1 2 3 人机界面中以人为本的设计思想盛行 工业革命以后，人们的思想中产生了以前没有的两种价值观念：效率和利 润，这两种观念深刻地渗透到了机器的基本的设计理念中。为了无限追求机器 的效率，机器的功能就成为设计过程中考虑的核心问题。这种设计价值就是“以 机器为本”的人机界面设计思想。 1 9 8 0 年以后，人机工程学的理论和实践随着一大批专业人才的出现而逐渐 扩展到了社会生活的各个层面。同时计算机科学的飞跃发展又进一步扩大了人 机界面的研究领域。通过三十余年的发展，人机界面已经成为一门以研究用户 及其与计算机的关系为特征的主要学科之一。在人机相互适应的目标下，人机 界面研究的内容不仅涉及在保障人的安全、健康、效率的基础上能否进行信息 交流，还开始在人机对话中，关注人的价值，关心人的满意度、舒适感、成就 感和人的尊严n 引。也就是说人机界面的研究内容逐渐涉猎到了人的方方面面， 并且把设计的重心转移到了人身上。这样，以人为本的设计思想也就理所当然 地成了当今产品人机界面设计的潮流。 1 1 2 4 拓扑理论的交叉运用 人机界面的发展也是与众多学科的发展存在着千丝万缕的联系，多学科的 交叉更容易使得研究简便化，易于操作。同时人机界面作为一门学科必然要向 其他学科渗透才能体现出它的科学性，才能达到对设计进行指导的目的。 本论文首次将数学中的拓扑4 元交空间关系模型n 幻引入到设计中来，用之 作为研究的一个突破口和方法，来对整个设计过程中出现的人机界面问题进行 归纳和总结，以期得到有实际指导意义的设计原则，更能在学术研究方面起到 一个引导作用。 拓扑概念的引入有助于理清研究的方向，用此来构建一个能清晰化研究的 体系。该体系建立在对拓扑特性的引用上，首先利用拓扑对二元物体的位移关 系的八种关系出发，将家居产品与室内空间之间的关系进行了创新性的归纳； 而后在再此基础上去讨论人机界面所存在的问题，此时的问题就包含了家居产 品与室内空间两方面的影响因素，从而能更大限度地起到指导作用。 7 山东大学硕+ 学位论文 1 2 研究意义与目的 本文主要解决了家居产品中的人机界面缺乏统一理论、对家居产品的设计 不够系统的问题，旨在构建一个可以指导家居产品人机界面设计的体系，从家 居环境一体化设计的系统观点出发，尽可能地去融合设计，使原本割裂的设计 回归本位，使人们的生活回归协调与自然。在研究过程中，运用到了拓扑理论 和以人为本的设计思想，最后使得研究的落脚点放在了人机界面上。鉴于此研 究是提供一种思维模式去引导设计，那么其研究的结果可以直接用于指导家居 产品人机界面的设计。 研究意义： 本研究为设计人员在进行设计时提供了一种设计思路和指导方法，能明确 和清晰地为设计服务，缩短设计人员进行人机界面设计时搜集重要内容的时间， 同时也对营造人家居产品环境一体化的生活环境起着重要的作用； 构建了家居产品人机界面设计系统的理论体系，从广面上去引导家居产品 人机界面的研究方向，目前尚无人涉足这一领域，每个拓扑关系下的人机界面 的研究内容都不太深入，引导更多的人去从事对每个拓扑关系下人机界面内容 进行更深入研究； 本文所提出的拓扑下人机界面，可以指导家居产品人机界面设计实践，还 可对家居产品人机界面设计的发展趋势进行更深层的探索。 创新点： 以往的人机界面研究都是从人出发，完全以人为中心去做研究，而在很多 时候，人的因素并不是决定人机界面好坏的全部，这就要求设计师在设计时还 要与产品所处的环境相一致起来。本论文在研究中摒除了完全以人为中心去对 人机界面进行研究，而从空间与家居产品的关系出发，针对人家居产品空间 在室内环境中的相互影响关系去探究人机界面研究的内容，切实做到了人机 环境相协调一致。 在研究中首次将数学中的拓扑4 元交空间关系模型引入到家居产品人机界 面的设计中来，作为人机界面研究的一个突破口和方法。 8 第1 章绪论 1 3 研究思路和框架 本文的整体研究思路是：对家居产品和环境之间的关系引入拓扑的概念进 行分类重组，以探求每一类别中人机界面的共性，从而去指导家居产品的设计。 无论环境空间如何变化如何分割，引入拓扑，只需按照家居产品与其存在的几 种关系所拥有的人机界面就可找到设计思路。 本文框架有着严格的逻辑性，研究内容是一环紧扣环，首先对研究内容 做了一个论述与界定，然后对论文中涉及到的拓扑这种研究方法进行了归纳与 总结，从中得出了与论文相关的内容进行运用。而后将研究对象一一定义与假 设，并运用拓扑理论将研究对象进行了分类与重组，得到不同拓扑关系下研究 对象的取值范围。最后分别去讨论每个拓扑关系下的家居产品中的人机界面， 得出与家居产品设计相关的内容。之后针对家居产品人机界面的拓扑性对未来 的发展趋势进行了预测与总结。 因此本文论述的结构( 如图1 2 文章脉络图) 是层次递进的，前后之间存 在着很强的逻辑性，研究的过程就是建立了一个体系，同时提供了一种研究问 题的方法，所得出的结果也是很有指导意义的。 9 山东大学硕十学位论文 1 0 第2 章拓扑与人机界面概述 2 1 人机界面 2 1 1 界面的概念 第2 章拓扑与人机界面概述 “界面：物体与物体之间的接触面。 现代汉语词典 n i n t e r f a c e 1 ) as u r f a c ef o r m i n gac o m m o nb o u n d a r yb e t w e e nt w or e g i o n s 2 ) a p l a c eo rp i e c eo fe q u i p m e n tw h e r eo c c t l r sb e t w e e nt w op r o c e s s e s 最新英汉双解词典 n i n t e r f a c e 1 ) 界面，分界面 2 ) ( 两个独立系统间互相衔接并互相影响的) 结合部分，边缘区域 3 ) 接口，联系装置 英汉大词典 人机界面设计是对两种不同物体间交流手段、交流过程的整体设计，以系 统优化人的操作、提高人机交流效率为目的。亦称用户界面设计( u s e ri n t e r f a c e d e s i g n ) 。 设计辞典 2 1 2 人机界面的界定 人与产品的界面，称为“人机界面 。人机界面介于用户和产品系统之间， 是人与产品之间传递、交换信息的媒介。产品的界面存在于人_ 物的信息交流 中，甚至可以说，只要存在着人物信息交流的一切领域都属于设计界面，它的 内涵要素极为广泛，反映着人与物之间的关系n 引。在人机系统模型中，人与机 之间存在一个相互作用的“面 ，称为人一机界面，人与机之间的信息交流和控 制活动都发生在人机界面上。机器的各种显示都“作用 于人，实现机一人信 山东大学硕士学何论文 息传递；人通过视觉和听觉等感官接受来自机器的信息，经过脑的加工、决策， 然后做出反应，实现人一机的信息传递。 人机界面设计理论的发展有机融合了各相关学科的理论，不断完善自身的 基本概念、理论体系、以及研究方法，形成了一门研究和应用范围都极为广泛 的综合性边缘学科。人机界面学包括计算机技术、心理学、人机工程学、设计 艺术学、社会学和人类学等各方面的知识，涉及到计算机、工业设计、新媒体、 心理学、社会学和人类学等学科领域n 6 l 。 2 1 2 1 狭义人机界面 狭义的人机关系：由于人机的行为差别，在人与机器之间设计一个界面， 以解决人操作与机器性能的不协调问题，目的是把人的行动方式转化成机器的 行为方式，或把机器的行为方式转化成人行动方式，这样的人机界面定义为机 器的显示器、人工控制部分( 例如机器按钮、操作杆、控制柄) 、以及操纵过程。 设计思想是让机器适应人的尺寸、反应速度及力学特性。 狭义的设计范围：狭义的人机界面是指计算机系统中的人机界面 ( i n t e r f a c e ) ，又称为人机接口、用户界面( u s e ri n t e r f a c e ) 、人机界面 ( h u m a l l 一c o m p u t e r ) 、人机交互( h u m a n c o m p e e ri n t e r a c t i o n ) 等，是人与计算机 之间传递、交换信息的媒介，是用户使用计算机系统的综合操作环境。通过人 机界面，用户向计算机系统提供命令、数据等输入信息，这些信息经计算机系 统处理后，又通过人机界面把产生的输出信息回送给用户。可见人机界面的核 心内容包括显示风格和用户操作方式，它集中体现了计算机系统的输入输出功 能，以及用户对系统的各个部件进行操作的控制功能口7 j 。 2 1 2 2 广义人机界面 在人机系统模型中，人与机之间存在一个相互作用的“面，称为人一机界 面，人与机之间的信息交流和控制活动均发生于此。机器与人是全方位的接触， 不再局限于功能方面的内容，而且包括界面本身带来的对人的心理上的影响。 机的概念扩展到与人相关的各种产品，不只是机的各种显示“作用”于人，机 本身的特点也对人的心理产生作用，实现机一人信息传递；人通过视觉和听觉 1 2 第2 章拓扑与人机界面概述 等感官接受来自机的信息，经过脑的加工、决策，然后做出反应，或者产生某 种心理暗示，实现人一机的信息相互传递。人机界面设计的首要目的是建立良 好的人机关系n 8 1 。 人机界面( h m i ) 是着眼于人与家居产品之间交流、互动的一个层面，可 以是独立与人、机之外的物体，可以是依附于家居产品的附件( 如遥控器等) ， 也可以是家居产品本身的一部分( 如产品表面的按钮、触摸屏等) ，还可以是家 居产品本身的属性( 如产品的材质、色彩) 1 9 1 。人通过此界面将功能要求、命 令执行传递给机器，而机器则通过此界面将自身信息反馈给人，浅层次上包括 机器的基本功能、工作状态及操控方式，深层次上则包括时尚潮流、时代特征、 文化诉求等。 在本文中研究的家居产品的人机界面指的是广义的人机界面。 2 1 3 家居产品人机界面的研究内容 家居产品人机界面的研究内容主要有： ( 1 ) 人机学原理 主要研究界面设计中与人身体有关的问题。人体形态特征参数、人的感知 特性、人的反应特性、人的心理特性( 特别是人的认知) 以及人的生活习性等。 在家居产品的界面设计中，研究人体尺寸可以解决人操作动作的合理性和身体 的舒适性；研究人体感知可以解决视觉感知的合理与舒适性；从人的心理特征 出发，可以使得用户在使用过程中高效地完成操作和接受信息，在健康的环境 中工作。对人体特性的全面研究，可以合理布局显示和控制的分工问题，使人 机系统达到最优状态。 ( 2 ) 认知学原理 认知心理主要探索用户操作时的知觉过程、认知过程以及操作过程。在对 家居产品操作的时候，包含了人的正确操作过程的因素，称为理性因素。同时， 也包含了各种不可预测的因素或非理性因素，例如，记忆力容易分散，容易遗 忘，动作容易出错等。通过对用户认知心理的研究，可以很好考虑人的非理性 和理性成分，解决人与机的自然交流问题，防止出错，使界面更友好、和谐。 o 霍发仁人机界面设计研究武汉理工大学( 优秀硕士学位论文) 2 0 0 3 ：1 0 - 11 i ij 东大学硕士学何论文 ( 3 ) 交互性原理 交互性原理包括交互方式、交互技术、交互设备、交互软件等。其中交互 方式是确定选用什么样的交互技术和采用什么样的交互设备，最后由交互软件 来把它们串联起来，它主要解决信息的交流问题，具有参与性、互动性。 ( 4 ) 其他原理 人机界面设计除了满足功能性之外，还要满足人的情感需求，不管是硬界 面设计还是软界面的设计都需要满足人的审美、认知、使用习性和使用环境。 所以与设计美学原理、设计色彩学原理、符号学原理以及社会学与人类学原理 等等都有关系。 1 ) 设计美学原理：设计美学的研究主要从设计美的构成法则和设计美的内 容两个方面进行研究。日本的设计研究者荣久庵宪先生说过这样一段话：“用 美和技术两方面衡量生活的合理性，即所谓现代化是设计振兴的 中心课题。 这段话常被用来诊释“设计 这门新兴学科的内涵。 “美”与“技术 这两个要素的结合，正是“设计 研究的中心内容。特 别是信息时代，界面设计沟通人与机，艺术设计应该发挥重要的作用，对新技 术赋予一层更深刻的内涵。利用艺术设计消除界面的障碍，通过设计美学在界 面设计中的应用，满足用户的审美需求。 2 ) 设计色彩学原理：在界面设计中都涉及到界面的色彩设计，通过界面的 色彩设计一方面实现色彩的指示功能，另一方面使用户感到愉悦。 3 ) 符号学原理：通过对符号学的研究，解决界面设计中图形符号信息识别 和传达。 4 ) 社会学与人类学：社会学主要涉及到人机系统对社会结构影响的研究， 即人机关系决定人际关系；而人类学则涉及到人机系统中的群体交互活动的研 究。人机界面设计要研究人类的文化特点、审美情趣以及个人、群体的爱好偏 同等。界面设计中，人文因素也越来越受到重视。 1 4 第2 章拓扑与人机界面概述 2 2 拓扑理论基础 2 2 1 拓扑学 拓扑学的英文名是t o p o l o g y ，直译是地志学，也就是和研究地形、地貌相 类似的有关学科。我国早期曾经翻译成“形势几何学 、“连续几何学”、“一对 一的连续变换群下的几何学”，但是这几种译名都不大好理解，1 9 5 6 年统一的 数学名词把它确定为拓扑学，这是按音译过来的嘞1 。 拓扑学是几何学的一个分支，但是这种几何学又和通常的平面几何、立体 几何不同。通常的平面几何或立体几何研究的对象是点、线、面之间的位置关 系以及它们的度量性质凹。拓扑学中，对于研究对象的长短、大小、面积、体 积等度量性质和数量关系都无关。举例来说，在通常的平面几何里，把平面上 的一个图形搬到另一个图形上，如果完全重合，那么这两个图形叫做全等形嘲3 。 但是，在拓扑学里所研究的图形，在运动中无论它的大小或者形状都发生变化。 在拓扑学里没有不能弯曲的元素，每一个图形的大小、形状都可以改变。 在本文中所涉及的拓扑概念仅仅是利用了空间实体之间的一些具有空间特 性的关系，这种关系可用拓扑学中的4 元交拓扑空间关系描述模型来体现，可 以看到并未涉及太多太过深奥的拓扑理论知识。文章接下来要做的就是阐述拓 扑学中的4 元交拓扑空间关系( 本文定义为拓扑关系) 。 2 2 ，2 拓扑关系 拓扑关系指满足拓扑几何学原理的各空间数据间的相互关系。即用结点、 弧段和多边形所表示的实体之间的邻接、关联和包含等关系瞳3 | 。 空间实体之间的一些具有空间特性的关系称为空间关系。人们对空间关系 的研究主要包括拓扑、方向、距离三大类空间关系，研究内容主要集中在空间 关系的语义问题、空间关系描述、空间关系表达、基于空间关系的查询分析、 空间推理等方面。空间关系描述的基本任务是以数学逻辑的方法区分不同的空 间关系，给出形式化的描述。其意义在于澄清不同用户关于空间关系的语义， 为空间关系判断、推理，构造空间查询语言和空间分析提供形式化工具1 。 1 5 山东大学硕士学何论文 4 元交拓扑空间关系模型将简单空间目标看作是边界点和内部点构成的 集合，两个简单空间目标a 、b 的边界与边界的交集a n b ，边界与内部的交集 a n b 。，内部与边界的交集a 。n b 、内部与内部的交集a 。n b 。，构成了4 元交拓扑空间关系描述模型，见图2 1 。两个简单空间实体之间的关系可以由4 元交中4 个二值拓扑不变量的不同取值来确定，二值拓扑不变量的取值要么为 空，要么是非空。 b ooa b a d i s j o i n t c o n t a i n si n s i d ec o v e r o 一 c o v e rb y e q u a lo v e r l a p m e e t 图2 14 元交拓扑空间关系描述模型 2 2 3 家居产品人机界面的拓扑性 2 2 3 1 拓扑测试 空间的大小与家居产品的关系，与人有着密切的联系。人在大的空间里去 操作一个产品与在一个小的空间里去操作产品，所面临的人机界面是不一样的， 同时在去设计这个人机界面的时候所需要的数据与方法也是不尽相同的。 室内环境是空间与在空间内摆放的一切物品的整体效果，环境的好坏与空 间及其内部或者外部的物品密切相关，而人处于环境中的感受就与空间及物品 相连，发生作用的“面 就是所说的人机界面，那么不同的环境即空间与物品 。曹菡，师军，李生刚，陈军点集拓扑理论在拓扑关系描述中的应用工